JP2000311694A - Laminated electrode for electrochemical battery - Google Patents

Laminated electrode for electrochemical battery

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JP2000311694A JP2000108982A JP2000108982A JP2000311694A JP 2000311694 A JP2000311694 A JP 2000311694A JP 2000108982 A JP2000108982 A JP 2000108982A JP 2000108982 A JP2000108982 A JP 2000108982A JP 2000311694 A JP2000311694 A JP 2000311694A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a battery having a high catalyst utilization factor and improved in the movement of produced water. SOLUTION: This laminated electrode is an electrode structural body including a collector sheet, a first electrode layer and a second electrode layer, and the first electrode layer is located between the collector sheet and the second electrode layer; the first layer includes a first group of carbon particles, and the second layer includes a second group of carbon particles; the first layer includes no catalyst or includes a first group of ultra-fine crushed catalyst particles; the second layer includes a second group of ultra-fine crushed catalyst particles; however, the weight ratio of the catalyst particles to carbon particles of the first layer is less than that of the second layer. In this case, for instance, the density per cm3 of the first group of the carbon particles is set to 1 gram or less.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電気化学電池(ele
ctrochemical cell)で使用するための電極に関する。
[0001] The present invention relates to an electrochemical cell (elevation cell).
related to electrodes for use in ctrochemical cells).

【0002】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】電気化
学電池は、種々の用途、特に燃料電池として操作する際
の用途に望ましい。燃料電池は、内部燃焼エンジンを置
換するために電動装置を含む多くの用途に提案されてき
た。ある一つの燃料電池デザインでは、カソードとアノ
ードとの間でイオン交換させるために固体ポリマー電解
質(SPE)膜またはプロトン交換膜(PEM)を使用
している。燃料電池では気体燃料及び液体燃料が便利で
ある。これらの例としては水素及びメタノールが挙げら
れるが、水素が好ましい。水素は燃料電池のアノードに
供給される。酸素(空気として)は電池の酸化剤であ
り、電池のカソードに供給される。燃料供給電極に面す
る膜表面に燃料を配分し易くするために、電極は(例え
ば、編グラファイト、グラファイト化シート若しくはカ
ーボン紙などの)多孔質導電性材料から形成される。典
型的な燃料電池は、米国特許第5,272,017号及
び同第5,316,871号明細書(Swathirajanら)に
記載されている。
BACKGROUND OF THE INVENTION Electrochemical cells are desirable for a variety of applications, particularly when operating as fuel cells. Fuel cells have been proposed for many applications, including electric motors, to replace internal combustion engines. One fuel cell design uses a solid polymer electrolyte (SPE) membrane or a proton exchange membrane (PEM) for ion exchange between the cathode and anode. Gas and liquid fuels are convenient in fuel cells. Examples of these include hydrogen and methanol, with hydrogen being preferred. Hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell. Oxygen (as air) is the oxidant of the battery and is supplied to the cathode of the battery. To facilitate distribution of fuel on the membrane surface facing the fuel supply electrode, the electrode is formed from a porous conductive material (eg, knitted graphite, graphitized sheet, or carbon paper). Exemplary fuel cells are described in U.S. Patent Nos. 5,272,017 and 5,316,871 (Swathirajan et al.).

【0003】燃料電池の重要な特徴としては、電気化学
反応が起きる反応面、かかる反応を触媒作用する触媒、
イオン導電性媒体、及び質量輸送媒体(mass transport
media)が挙げられる。燃料電池により生じる電力コスト
は触媒のコストに一部依存する。慣用の電極では高価な
金属触媒の利用率が比較的低いこともあって、燃料電池
により生じる電力コストは競合するもう一つの発電コス
トよりも非常に高い。けれども水素は環境的に許容可能
であり、水素燃料電池は効率的であるため、水素−ベー
スの燃料電池から発生した電力が望ましい。従って、燃
料電池を電力発生に関してより魅力的にするために、燃
料電池アセンブリにおける触媒利用率の改善が望まれて
いる。また、燃料電池で生成した水の移動及び反応体の
ガス分散の改善も望まれている。
[0003] Important characteristics of a fuel cell include a reaction surface where an electrochemical reaction occurs, a catalyst that catalyzes such a reaction,
Ionic conductive media and mass transport media
media). The cost of power generated by the fuel cell depends in part on the cost of the catalyst. Due to the relatively low utilization of expensive metal catalysts in conventional electrodes, the power cost generated by a fuel cell is much higher than another competitive power generation cost. However, because hydrogen is environmentally acceptable and hydrogen fuel cells are efficient, power generated from hydrogen-based fuel cells is preferred. Therefore, there is a need for improved catalyst utilization in fuel cell assemblies to make fuel cells more attractive for power generation. It is also desired to improve the movement of water generated by the fuel cell and the gas dispersion of the reactants.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】一態様においては、集電
体(current collector)シート、第1の電極層、及び第
2の電極層を含む電極構造体を提供する。第1の電極層
は集電体シートと第2の電極層との間にある。第1の層
はカーボン粒子の第1の群を含み、第2の層はカーボン
粒子の第2の群を含む。第1の層は触媒を含まない(unc
atalyzed)か、超微粉砕触媒粒子の第1の群を含み(cata
lyzed)、第2の層は超微粉砕触媒粒子の第2の群を含
む。第1の層の触媒粒子対カーボン粒子の重量比は、第
2の層の重量比未満である。
In one aspect, an electrode structure is provided that includes a current collector sheet, a first electrode layer, and a second electrode layer. The first electrode layer is between the current collector sheet and the second electrode layer. The first layer includes a first group of carbon particles, and the second layer includes a second group of carbon particles. The first layer contains no catalyst (unc
atalyzed) or comprises a first group of micronized catalyst particles (catalyst)
lyzed), the second layer comprises a second group of micronized catalyst particles. The weight ratio of catalyst particles to carbon particles in the first layer is less than the weight ratio of the second layer.

【0005】一態様では、それぞれのカーボン粒子の群
は、カーボン粒子の中及びカーボン粒子とカーボン粒子
との間の多数の孔(plethora of pores)を画定する内部
及び外部表面をもつ複数のカーボン粒子を含む。超微粉
砕触媒粒子はカーボン粒子の内部及び外部表面上に担持
される。
In one embodiment, each group of carbon particles comprises a plurality of carbon particles having internal and external surfaces defining a plurality of pores (plethora of pores) within and between the carbon particles. including. The micronized catalyst particles are supported on the interior and exterior surfaces of the carbon particles.

【0006】別の態様では、第1の層は触媒を含まず、
第2の層はカーボン粒子の内部及び外部表面に担持され
た超微粉砕触媒粒子を有するカーボン粒子を含む。
In another embodiment, the first layer does not contain a catalyst,
The second layer includes carbon particles having micronized catalyst particles supported on the inner and outer surfaces of the carbon particles.

【0007】好ましくは、カーボン粒子の第1の群は、
1立方センチメートル当たり0.1グラム以下の密度を
特徴とし、これは1グラム当たり少なくとも約10立方
センチメートルの容積/グラムに相当する。望ましく
は、カーボン粒子の第2の群は約6〜約9の範囲のpHを
特徴とする。好ましくは、それぞれのカーボン粒子の群
は約6〜約9の範囲のpHを特徴とする。望ましくは、カ
ーボン粒子の第2の群は、5ナノメートルを超える平均
孔半径を特徴とする。さらに、それぞれの層は、カーボ
ン粒子及び触媒粒子と混じったプロトン導電性材料を含
む。
[0007] Preferably, the first group of carbon particles comprises:
It is characterized by a density of no more than 0.1 gram per cubic centimeter, which corresponds to a volume / gram of at least about 10 cubic centimeters per gram. Desirably, the second group of carbon particles is characterized by a pH in the range of about 6 to about 9. Preferably, each group of carbon particles is characterized by a pH in the range of about 6 to about 9. Desirably, the second group of carbon particles is characterized by an average pore radius of greater than 5 nanometers. Furthermore, each layer includes a proton conductive material mixed with carbon particles and catalyst particles.

【0008】望ましくは、第2の層の触媒粒子充填量は
電極表面積1cm2当たり約0.30mg未満である。
第1の層の触媒充填量は第2の層の触媒充填量未満であ
り、望ましくは約0.15mg/cm2以下のオーダー
であり、好ましくは約0.02mg/cm2以下のオー
ダーである。
[0008] Desirably, the catalyst particle loading of the second layer is less than about 0.30 mg / cm 2 of electrode surface area.
Catalyst loading of the first layer is less than the catalyst loading of the second layer, preferably from about 0.15 mg / cm 2 or less in order is preferably about 0.02 mg / cm 2 or less in order .

【0009】ひとつの態様では、第2の層は約20:8
0の重量比で触媒粒子とカーボン粒子とを含む。プロト
ン導電性材料は前記第2の層の30〜35重量%を構成
し、触媒粒子及びカーボン粒子は残余を構成する。
[0009] In one embodiment, the second layer is about 20: 8.
It contains catalyst particles and carbon particles in a weight ratio of 0. The proton conductive material makes up 30 to 35% by weight of the second layer, and the catalyst particles and carbon particles make up the balance.

【0010】一態様では、電気化学電池で使用するため
の上記改良電極構造体を製造する方法を提供する。電極
の第1の層は、プロトン−導電性材料、カーボン粒子の
第1の群及び最も好ましくは触媒粒子を含む混合物を形
成することにより製造する。混合物を集電体シートに適
用してフィルムを形成する。電極の第2の層は、第1の
層の上に第2の層を形成することにより製造し、前記第
2の層はプロトン−導電性材料、カーボン粒子の第2の
群、及び触媒粒子を含む。第2の層のカーボン粒子に対
する触媒粒子の重量は第1の層の重量よりも多い。本発
明の方法により触媒利用率が非常に高く触媒充填量が非
常に少ない電極を製造できるので、従来法により製造し
た電極と比較して安価に製造することができる。
[0010] In one aspect, a method is provided for making the improved electrode structure described above for use in an electrochemical cell. The first layer of the electrode is made by forming a mixture comprising a proton-conductive material, a first group of carbon particles and most preferably catalyst particles. The mixture is applied to a current collector sheet to form a film. A second layer of the electrode is manufactured by forming a second layer on the first layer, the second layer comprising a proton-conductive material, a second group of carbon particles, and catalyst particles. including. The weight of the catalyst particles relative to the carbon particles of the second layer is greater than the weight of the first layer. According to the method of the present invention, an electrode having a very high catalyst utilization rate and a very small amount of catalyst can be produced, and therefore, it can be produced at a lower cost as compared with an electrode produced by a conventional method.

【0011】固体ポリマープロトン導電性材料の電解質
膜と、該電解質膜のどちらの側にも配置された第1及び
第2の電極とを有する電気化学電池用の電解質と電極の
結合構造体の製造法も提供する。少なくとも一つの電極
は上記の本発明の方法により形成する。本発明の方法に
より製造した電極を第2の層が膜に面するように電解質
膜の第1の表面上に配置する。第2の電極は膜の反対面
に配置し、得られた構造体を加熱及び圧縮して電極を膜
に接着させる。本発明の方法の好ましい態様では、粒子
が幾らか膜の中に少なくとも部分的に埋め込まれるよう
にアセンブリを圧縮荷重及び高温に暴露して電極を膜に
接着させ、これにより反応が起きる触媒部位へのプロト
ンの連続路を提供する。
Production of an electrolyte-electrode combined structure for an electrochemical cell having an electrolyte membrane of a solid polymer proton conductive material and first and second electrodes disposed on either side of the electrolyte membrane It also provides the law. At least one electrode is formed by the method of the present invention described above. The electrode produced by the method of the present invention is placed on the first surface of the electrolyte membrane such that the second layer faces the membrane. A second electrode is placed on the opposite side of the membrane and the resulting structure is heated and compressed to adhere the electrode to the membrane. In a preferred embodiment of the method of the present invention, the assembly is exposed to a compressive load and high temperature so that some of the particles are at least partially embedded in the membrane, causing the electrodes to adhere to the membrane and thereby to the catalytic sites where the reaction occurs. To provide a continuous path of protons.

【0012】カーボン粒子の第1及び第2の群は同一で
あるか、または異なる。即ち、これらは同じ特徴を有す
るか、少なくともひとつの特徴的な点で異なっていても
よい。いずれの層もが触媒を含む場合には、それぞれの
層の触媒は同一でも異なっていてもよい。
[0012] The first and second groups of carbon particles are the same or different. That is, they may have the same characteristics or may differ in at least one characteristic point. When each layer contains a catalyst, the catalyst of each layer may be the same or different.

【0013】電極、膜電極アセンブリ、及び上記燃料電
池系の記載から解るように、本発明により触媒利用率が
改善され、水の取り扱い(処理)が改善される。
As can be seen from the description of the electrodes, the membrane electrode assembly, and the fuel cell system described above, the present invention provides improved catalyst utilization and improved water handling (treatment).

【0014】本発明の目的は、新規電極及び新規膜電極
アセンブリを提供することである。本発明の別の目的
は、電極及び優れた電極を含むアセンブリの製造法を提
供することである。好都合には、本発明の膜/電極アセ
ンブリは、予想外に低い触媒充填量で比較的高い発電量
を提供する。
It is an object of the present invention to provide a new electrode and a new membrane electrode assembly. It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing an electrode and an assembly including a superior electrode. Advantageously, the membrane / electrode assembly of the present invention provides relatively high power output with unexpectedly low catalyst loading.

【0015】これら及び他の目的、特徴及び好都合な点
は、好ましい態様、請求の範囲及び添付図面の記載を参
照することにより明らかになるだろう。
[0015] These and other objects, features and advantages will become apparent by reference to the preferred embodiments, the claims and the accompanying drawings.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】ひとつの態様では、電極材料の第
1及び第2の層と集電体シートとを含む電極構造体を提
供する。これらの層は一緒になって触媒利用率を高め、
水の取り扱いを改善する。この積層配置はカソードに特
に有用である。電極構造体について詳細に記載する前
に、まず電極を含む電池について記載することとする。
DETAILED DESCRIPTION In one aspect, an electrode structure is provided that includes first and second layers of electrode material and a current collector sheet. These layers together increase catalyst utilization,
Improve water handling. This stacked arrangement is particularly useful for cathodes. Before describing the electrode structure in detail, a battery including an electrode will be described first.

【0017】図1には、電池内に膜電解質と電極の結合
アセンブリ(MEA)12を含む電気化学電池10が組
み立てられていない状態で絵画的に示されている。電気
化学電池10は燃料電池として組み立てられる。しかし
ながら、本明細書中で記載する本発明は、一般的に電気
化学電池に適用可能である。電気化学電池10は、ステ
ンレススチール端板14、16、ガスを散布し易くする
ための開口部22、24を備えたグラファイトブロック
18、20、ガスケット26、28、それぞれ接続部3
1、33を備えたカーボンシート集電体30、32と、
膜電解質及び電極アセンブリ(MEA)12を含む。グ
ラファイトブロック、ガスケット及び集電体、即ち、1
8、26、30と20、28、32の二つのセットはそ
れぞれガス及び電流輸送手段36、38と呼ぶ。アノー
ド接続部31及びカソード接続部33は、他の燃料電池
を含んでいてもよい外部回路と連結するために使用す
る。
FIG. 1 is a pictorial illustration of an unassembled electrochemical cell 10 that includes a membrane electrolyte and electrode coupling assembly (MEA) 12 within the cell. The electrochemical cell 10 is assembled as a fuel cell. However, the invention described herein is generally applicable to electrochemical cells. The electrochemical cell 10 includes stainless steel end plates 14 and 16, graphite blocks 18 and 20 with openings 22 and 24 for facilitating gas distribution, gaskets 26 and 28, and connection portions 3 respectively.
Carbon sheet current collectors 30, 32 provided with 1, 33;
Including a membrane electrolyte and electrode assembly (MEA) 12. Graphite block, gasket and current collector, ie, 1
The two sets of 8, 26, 30 and 20, 28, 32 are referred to as gas and current transport means 36, 38, respectively. The anode connection 31 and the cathode connection 33 are used to connect to an external circuit that may include another fuel cell.

【0018】電気化学電池10は、その一方が燃料供給
源37から供給される燃料であり、他方が供給源39か
ら供給される酸化剤である気体反応体で操作する。供給
源37、39からの気体はそれぞれの気体と電流輸送手
段36及び38を通ってMEA12の反対側に拡散す
る。
The electrochemical cell 10 operates with a gaseous reactant, one of which is a fuel supplied from a fuel supply 37 and the other is an oxidant supplied from a supply 39. Gas from the sources 37, 39 diffuses through the respective gas and current transport means 36 and 38 to the opposite side of the MEA 12.

【0019】図2は本発明のアセンブリ12の略図を示
す。図2を参照すると、多孔質電極40は燃料側でアノ
ード42を、酸素側でカソード44を形成する。アノー
ド42は固体ポリマー電解質(SPE)膜46によって
カソードと隔てられている。SPE膜46は、燃料電池
10における反応を容易にするためにイオン輸送を提供
する。ひとつの配置例では、本発明の電極は、そのよう
なプロトン移動のために本質的に連続的にポリマーを接
触させておくために、電極とイオモノマー膜とを密着さ
せることによってより効果的にプロトンが移動する。電
極は膜の中に挿入されているか、少なくとも一部埋め込
まれているのが好ましい。従って、電池10のMEA1
2は、間隔のあいた第1及び第2の対向面50、52
と、その面50、52の間の厚み、即ち中間層領域53
を備えた膜46とを有する。それぞれの電極40、即ち
アノード42とカソード44は、面50、52の対応す
る部分で膜46にしっかりと接着される。
FIG. 2 shows a schematic diagram of the assembly 12 of the present invention. Referring to FIG. 2, the porous electrode 40 forms an anode 42 on the fuel side and a cathode 44 on the oxygen side. The anode 42 is separated from the cathode by a solid polymer electrolyte (SPE) membrane 46. SPE membrane 46 provides ion transport to facilitate reactions in fuel cell 10. In one arrangement, the electrode of the present invention can be more effectively protonated by contacting the electrode with the iomonomer membrane to keep the polymer in contact essentially continuously for such proton transfer. Moves. The electrodes are preferably inserted or at least partially embedded in the membrane. Therefore, the MEA 1 of the battery 10
2 are spaced first and second facing surfaces 50, 52
And the thickness between the surfaces 50 and 52, that is, the intermediate layer region 53
And a film 46 provided with Each electrode 40, ie, anode 42 and cathode 44, is firmly adhered to membrane 46 at corresponding portions of surfaces 50, 52.

【0020】一態様では、それぞれの電極40(アノー
ド42、カソード44)はさらに、膜46のそれぞれの
側に第1及び第2のテフロンコート(ポリテトラフルオ
ロエチレンコーティング化、含浸させた)グラファイト
シート80、82を含む(図3)。アノード活性材料は
膜の第1の面50と第1のシート80との間に配置さ
れ、カソード活性材料は第2の面52と第2のシート8
2との間に配置される。SPE膜 本発明の固体ポリマー電解質(SPE)膜46は、イオ
ン導電性材料として当業界で公知である。そのようなS
PE膜はポリマー電解質膜(PEM)とも呼ばれる。典
型的なSPE膜は米国特許第4,272,353号、同
第3,134,697号及び同第5,211,984号
に記載されている。
In one embodiment, each electrode 40 (anode 42, cathode 44) further comprises a first and second Teflon-coated (polytetrafluoroethylene-coated, impregnated) graphite sheet on each side of membrane 46. 80, 82 (FIG. 3). The anode active material is disposed between the first side 50 of the membrane and the first sheet 80 and the cathode active material is disposed between the second side 52 and the second sheet 8.
2 are arranged. SPE Membrane The solid polymer electrolyte (SPE) membrane 46 of the present invention is known in the art as an ionic conductive material. Such S
The PE membrane is also called a polymer electrolyte membrane (PEM). Exemplary SPE membranes are described in U.S. Patent Nos. 4,272,353, 3,134,697 and 5,211,984.

【0021】SPE膜またはシートはイオン交換樹脂膜
である。樹脂はそのポリマー構造中にイオン基を包含
し;その一イオン成分はポリマーマトリックスによって
固定又は保持され、少なくとも一つの他のイオン成分は
その固定された成分と静電的に結びついた可動性の置換
可能なイオンである。好適な条件下で他のイオンと置換
する可動性イオンの能力により、これらの材料にイオン
交換性を与えることができる。
The SPE membrane or sheet is an ion exchange resin membrane. The resin contains ionic groups in its polymer structure; one ionic component is immobilized or retained by the polymer matrix, and at least one other ionic component is a mobile substituent electrostatically associated with the immobilized component. It is a possible ion. The ability of mobile ions to displace other ions under suitable conditions can render these materials ion-exchangeable.

【0022】イオン交換樹脂は、その成分の一つがイオ
ン成分を含む、該成分の混合物を重合することによって
製造することができる。カチオン交換、プロトン導電性
樹脂の大まかな一つの種類としてはいわゆるスルホン酸
カチオン交換樹脂がある。このスルホン酸膜では、カチ
オンイオン交換基はスルホン化によってポリマー主鎖に
付けられている水和スルホン酸基である。
The ion exchange resin can be manufactured by polymerizing a mixture of the components, one of which contains an ionic component. As a rough type of cation exchange and proton conductive resin, there is a so-called sulfonic acid cation exchange resin. In this sulfonic acid membrane, the cation ion exchange groups are hydrated sulfonic acid groups attached to the polymer backbone by sulfonation.

【0023】これらのイオン交換樹脂を膜又はシートに
形成することも当業界で公知である。好ましい種類は、
その全体の膜構造がイオン交換特性をもつパーフルオロ
化スルホン酸ポリマー電解質である。これらの膜は、市
販されており、市販のスルホン化パーフルオロカーボ
ン、プロトン導電性膜の典型例としては、商品名ナフィ
オン(Nafion:登録商標)のもとにE.I.Dupont d
e Nemours&Co.の市販品がある。別にDow Chemicalによ
り開発されたものもある。そのようなプロトン導電性膜
は、構造:CF2=CFOCF2CF2SO3H、CF2
CFOCF2CF(CF3)OCF2SO3H、及び−CF
2CF2CF(ORX)CF2CF2−(式中、XはSO3
HまたはCO2Hである)のモノマーによって特徴付け
ることができる。ナフィオン(登録商標)はフルオロポ
リマー、特にパーフルオロ化カルボン酸又はスルホン酸
モノマー単位を含むコポリマーである。ナフィオン(登
録商標)ポリマー及びポリマー膜は、スルホン酸基又は
カルボン酸基を含むパーフルオロ化モノマーとテトラフ
ルオロエチレンとのコポリマーから製造したナフィオン
(登録商標)ポリマーである。本発明に関しては、パー
フルオロ化スルホン酸コポリマーが好ましい。
The formation of these ion exchange resins into membranes or sheets is also known in the art. The preferred type is
The entire membrane structure is a perfluorinated sulfonic acid polymer electrolyte having ion exchange properties. These membranes are commercially available, and typical examples of commercially available sulfonated perfluorocarbon, proton conductive membranes are EIDupont d under the trade name Nafion (registered trademark).
There is a commercial product of e Nemours & Co. Others have been developed by Dow Chemical. Such a proton conductive membrane has the structure: CF 2 = CFOCF 2 CF 2 SO 3 H, CF 2 =
CFOCF 2 CF (CF 3) OCF 2 SO 3 H, and -CF
2 CF 2 CF (ORX) CF 2 CF 2- (where X is SO 3
H or CO 2 H). Nafion® is a fluoropolymer, especially a copolymer containing perfluorinated carboxylic or sulfonic acid monomer units. Nafion® polymers and polymer membranes are Nafion® polymers made from copolymers of tetrafluoroethylene with perfluorinated monomers containing sulfonic or carboxylic acid groups. For the present invention, perfluorinated sulfonic acid copolymers are preferred.

【0024】本発明により例示される電気化学燃料電池
10では、膜46は可動性イオンとしてH+イオンを有
する、カチオン透過性のプロトン導電性膜であり;燃料
ガスは水素(または改質油)であり、酸化剤は酸素又は
空気である。全体の電池反応は水素の水への酸化であ
り、アノード42及びカソード44でのそれぞれの反応
は、H2=2H+2e(アノード)及び1/2 O2+2
++2e=H2O(カソード)である。
In the electrochemical fuel cell 10 exemplified by the present invention, the membrane 46 is a cation permeable proton conductive membrane having H + ions as mobile ions; the fuel gas is hydrogen (or reformate). And the oxidizing agent is oxygen or air. The overall cell reaction is the oxidation of hydrogen to water, and the respective reactions at anode 42 and cathode 44 are H 2 = 2H + 2e (anode) and 1/2 O 2 +2
H + + 2e = H 2 O (cathode).

【0025】水素を燃料ガスとして使用するため、全体
の電池反応の生成物は水である。通常、生成物の水は、
酸素側の電極40であるカソード44では受け入れられ
ない。一般に、水は単に流れたりまたは蒸発によって消
える。しかしながら、水が形成したらその水を集め、電
池から運び出すための手段も所望により提供することが
できる。電池内での水の処理は、電気化学的燃料電池を
長期間にわたってうまく操作するためには重要である。
水処理操作法及びこれに関連する電池のデザインについ
ては、本明細書中、その全体がそれぞれ参照として含ま
れる米国特許第5,272,017号(以後、第’01
7号と呼ぶ)及び同第5,316,871号(以後、
第’871号と呼ぶ)に記載されている。本発明はさら
に燃料電池操作時の水処理を改善し、効果的な電極利用
率、電極と膜との間の効果的なプロトン移動、及び良好
なガス拡散などの他の特徴にも関する。これらの特徴は
少なくとも部分的に本発明の改良された電極デザインに
より高められる。電極 本発明の電極は、集電体と、電池反応に関与する電極活
性材料とを含む。燃料電池の電気化学反応は、プロトン
導電性イオノマー、触媒、導電性カーボン及び気体反応
体の間の界面領域で起きる。従って、高い触媒利用率と
するためには、触媒部位がプロトン交換膜、気体反応
体、及び導電性カーボンと密接するように電極を設計し
なければならない。
Since hydrogen is used as a fuel gas, the product of the overall cell reaction is water. Usually, the product water is
It is not acceptable at the cathode 44 which is the electrode 40 on the oxygen side. In general, water simply disappears by flowing or evaporation. However, if water is formed, means for collecting the water and transporting it out of the battery can be provided if desired. The treatment of water in the cell is important for the long-term operation of the electrochemical fuel cell.
No. 5,272,017 (hereafter '011'), which is hereby incorporated by reference in its entirety, for water treatment procedures and battery designs associated therewith.
No. 7) and No. 5,316,871 (hereinafter, referred to as No. 7).
No. '871). The invention further relates to other features such as improved water treatment during fuel cell operation, effective electrode utilization, effective proton transfer between the electrode and the membrane, and good gas diffusion. These features are enhanced, at least in part, by the improved electrode design of the present invention. Electrode The electrode of the present invention includes a current collector and an electrode active material involved in a battery reaction. Electrochemical reactions in fuel cells occur in the interface region between the proton conductive ionomer, the catalyst, the conductive carbon and the gaseous reactants. Therefore, in order to achieve high catalyst utilization, the electrodes must be designed so that the catalyst sites are in close contact with the proton exchange membrane, the gaseous reactant, and the conductive carbon.

【0026】慣用の電極は、本明細書中、上記の如く参
照として含まれる米国特許第5,272,017号及び
同第5,316,871号に記載の慣用法により製造す
ることができる。これは図2及び図3のアノードにより
例示される。そのような状況では触媒含有カーボン粒子
(catalyzed carbon particle)を製造し、次いでキャス
ティング溶媒を含む溶液中でプロトン導電性バインダー
と混合する。溶液をテフロンコートグラファイトシート
80に適用し、キャスティング溶媒を蒸発させ、触媒含
有カーボン粒子とバインダーとを含む残存層を膜と接触
させ、これに熱プレスする。ここで触媒含有カーボン粒
子60は膜46と密接し、これに接着する。本明細書中
に記載されるように、触媒含有カーボン粒子の若干量が
少なくとも部分的に膜46内に埋め込まれるのが好まし
い。
Conventional electrodes can be prepared by conventional methods described in US Pat. Nos. 5,272,017 and 5,316,871, which are incorporated herein by reference. This is illustrated by the anode in FIGS. In such situations, catalyst-containing carbon particles
(catalyzed carbon particles) and then mixed with a proton conducting binder in a solution containing a casting solvent. The solution is applied to a Teflon-coated graphite sheet 80, the casting solvent is evaporated, the remaining layer containing the catalyst-containing carbon particles and the binder is brought into contact with the membrane and hot pressed. Here, the catalyst-containing carbon particles 60 are in close contact with and adhere to the film 46. As described herein, it is preferred that some amount of the catalyst-containing carbon particles be at least partially embedded within the membrane 46.

【0027】図4は、カーボン粒子上に担持された超微
粉砕触媒粒子62のついた触媒含有カーボン粒子60の
拡大絵画図を示す。プロトン導電性材料64は粒子と混
ざり合う。
FIG. 4 is an enlarged pictorial view of catalyst-containing carbon particles 60 with micronized catalyst particles 62 carried on the carbon particles. The proton conductive material 64 mixes with the particles.

【0028】本発明の新規電極の構成は、カソードとし
て使用するものとして本明細書中に記載されているが、
これに限定されるものではない。本発明の新規電極はア
ノードとしてもカソードとしても使用可能であると考え
られ、カソードとして使用する場合に特に都合がよいこ
とが本明細書中に示されている。本発明の電極は、集電
体シート82、第1の電極層70及び第2の電極層72
を含む。第1の電極層70は集電体シート82と第2の
層72との間である。第1の電極層はカーボン粒子60
の第1の群を含み、第2の層はカーボン粒子60の第2
の群を含む。第1及び第2の群のカーボン粒子は同一種
のカーボン粒子であってもよく、表に示されているよう
な同一物理的特性を有していてもよい。別の態様では、
第1及び第2の群のカーボン粒子は異なるタイプのカー
ボン粒子であり、異なる特徴を有する。特徴については
表2に定義されている。
Although the novel electrode configuration of the present invention is described herein for use as a cathode,
It is not limited to this. It is contemplated that the novel electrodes of the present invention can be used as both anodes and cathodes, and are shown herein to be particularly advantageous when used as cathodes. The electrode of the present invention includes a current collector sheet 82, a first electrode layer 70, and a second electrode layer 72.
including. The first electrode layer 70 is between the current collector sheet 82 and the second layer 72. The first electrode layer is made of carbon particles 60.
And the second layer comprises a second group of carbon particles 60.
Group. The first and second groups of carbon particles may be the same type of carbon particles and may have the same physical properties as shown in the table. In another aspect,
The first and second groups of carbon particles are different types of carbon particles and have different characteristics. The features are defined in Table 2.

【0029】一態様では、第1の群のカーボン粒子は触
媒を含まない(図3)。別の態様では、第1の層を形成
する第1の群のカーボン粒子は触媒を含む(図2)。触
媒62は超微粉砕触媒粒子の形態であり、通常、以下詳
細に記載するように金属粒子である。いずれの態様にお
いても、第2の層72は超微粉砕触媒粒子62を含む。
第1及び第2の層の触媒粒子62とカーボン粒子60の
相対量は、第1の層70の触媒粒子対カーボン粒子の重
量比が第2の層72の重量比未満であるように選択す
る。第1の層が全く触媒粒子を含まず、第2の層が触媒
を含む場合には、この条件を満たすことは明らかであ
る。触媒粒子がいずれの層にも含まれる場合には、第2
の層の触媒粒子対カーボン粒子の重量比は第1の層の重
量比よりも大きい。
In one embodiment, the first group of carbon particles does not include a catalyst (FIG. 3). In another aspect, the first group of carbon particles forming the first layer includes a catalyst (FIG. 2). The catalyst 62 is in the form of micronized catalyst particles and is typically metal particles as described in detail below. In either embodiment, second layer 72 includes micronized catalyst particles 62.
The relative amounts of catalyst particles 62 and carbon particles 60 in the first and second layers are selected such that the weight ratio of catalyst particles to carbon particles in first layer 70 is less than the weight ratio of second layer 72. . It is clear that this condition is met if the first layer does not contain any catalyst particles and the second layer does contain the catalyst. If the catalyst particles are contained in any of the layers, the second
The weight ratio of the catalyst particles to the carbon particles in the layer is larger than the weight ratio of the first layer.

【0030】一態様では、第1の層のカーボン粒子は多
数の孔を画定する複数の内部及び外部表面を含み;超微
粉砕触媒粒子はカーボン粒子の内部及び外部表面上に担
持されている(図4)。第1の層を形成するためにプロ
トン導電性材料64と混合する前に、カーボン粒子60
に触媒粒子62を担持するのが好ましい。
In one embodiment, the carbon particles of the first layer include a plurality of inner and outer surfaces defining a plurality of pores; the micronized catalyst particles are supported on the inner and outer surfaces of the carbon particles ( (Fig. 4). Prior to mixing with the proton conductive material 64 to form the first layer, the carbon particles 60
It is preferable to support the catalyst particles 62 on the surface.

【0031】一態様では、第2の層は第1の層と本質的
に同一方法により形成する。即ち、カーボン粒子に触媒
粒子を担持し、次いで触媒含有カーボン粒子をプロトン
導電性材料と混合する。次いでこの混合物を第1の層に
適用して第2の層を形成する。
In one embodiment, the second layer is formed in essentially the same manner as the first layer. That is, the catalyst particles are supported on the carbon particles, and then the catalyst-containing carbon particles are mixed with the proton conductive material. This mixture is then applied to the first layer to form a second layer.

【0032】触媒粒子は、好ましくは金属性、金属また
は合金である。最も好ましいものは貴金属触媒、例え
ば、プラチナ(Pt)及びパラジウム(Pd)である。
さらに、合金化するために他の比較的安定な金属を使用
することもできる。例えば、チタン、ルテニウム、ロジ
ウム、タングステン、錫またはモリブデンなどを使用す
ることもできる。
The catalyst particles are preferably metallic, metallic or alloy. Most preferred are noble metal catalysts, such as platinum (Pt) and palladium (Pd).
In addition, other relatively stable metals can be used for alloying. For example, titanium, ruthenium, rhodium, tungsten, tin or molybdenum can be used.

【0033】本発明は、少なくとも第1及び第2の層を
有する多層電極を形成する方法を提供する。第1の層は
プライマリー層(primary layer)とも呼ばれ、第2の層
はメイン層(main layer)とも呼ばれる。電極構造体の製
造法は、(a)集電体シート82を提供し;(b)プロ
トン導電性材料64、カーボン粒子60の第1の群、場
合により触媒粒子62を含む第1の層70を該シート上
に形成し;次いで(c)プロトン導電性材料64、カー
ボン粒子60の第2の群、及び触媒粒子62を含む第2
の層72を第1の層の上に形成する、各段階を含む。第
2の層のカーボン粒子に対する触媒粒子の重量は第1の
層の重量を超える。上記方法に従った一態様では、段階
(a)はプロトン導電性材料、カーボン粒子の第1の
群、並びにカーボン粒子上及びカーボン粒子中に担持さ
れた超微粉砕触媒粒子の第1の群の第1の混合物を形成
し;次いで第1の混合物を集電体の表面に適用し、該混
合物から第1のフィルムを形成することにより実施す
る。
The present invention provides a method for forming a multilayer electrode having at least first and second layers. The first layer is also called a primary layer, and the second layer is also called a main layer. The method of manufacturing the electrode structure provides (a) a current collector sheet 82; (b) a first layer 70 including a proton conductive material 64, a first group of carbon particles 60, and optionally catalyst particles 62. Formed on the sheet; and (c) a second group including the proton conductive material 64, the second group of carbon particles 60, and the catalyst particles 62.
Forming the layer 72 on the first layer. The weight of the catalyst particles relative to the carbon particles of the second layer exceeds the weight of the first layer. In one embodiment according to the above method, step (a) comprises the first group of proton conductive material, the carbon particles, and the first group of micronized catalyst particles supported on and in the carbon particles. Forming a first mixture; then performing by applying the first mixture to the surface of the current collector and forming a first film from the mixture.

【0034】一態様では、段階(c)は、プロトン導電
性材料、カーボン粒子の第2の群、カーボン粒子上及び
カーボン粒子中に担持された超微粉砕触媒粒子の第2の
群の第2の混合物を形成し;次いで第2の混合物を第1
の層に適用することにより実施する。
In one embodiment, step (c) comprises the second group of proton conductive material, the second group of carbon particles, the second group of micronized catalyst particles supported on and in the carbon particles. Of the second mixture; then the second mixture is added to the first
This is performed by applying to the layer of

【0035】膜電極アセンブリは、膜のそれぞれの表面
に多層電極と対−電極を適用し、次いで膜に電極を接着
するのに十分な温度及び圧縮荷重で熱−プレスすること
により製造する。高温熱−プレス時に軟化する膜の中に
電極の粒子の少なくとも一部を少なくとも部分的に埋め
込むのが好ましい。
The membrane electrode assembly is manufactured by applying a multi-layer electrode and a counter-electrode to each surface of the membrane and then hot-pressing at a temperature and compressive load sufficient to adhere the electrodes to the membrane. Preferably, at least some of the electrode particles are at least partially embedded in a film that softens during high temperature heat-pressing.

【0036】特に、アノード42の活性材料をテフロン
コートグラファイトシート80に適用する。次いで、シ
ート80上に支持されたアノード活性材料側を膜46の
第1の面50と接触する。シート82上のカソード44
の多層活性材料を膜46の第2の表面52と接触する。
膜46を軟化させ、粒子の少なくとも一部を膜内に少な
くとも部分的に埋め込むのに十分な時間、温度及び圧縮
荷重で加熱しながらシート80、82を膜に熱プレス
し、これにより第1及び第2の電極42、44を形成す
る。埋め込まれた粒子または挿入された粒子は膜のそれ
ぞれの表面に少なくとも部分的に設置されるが、粒子は
その表面より下に配置されたり膜に分散されたりするこ
とは全くない。
In particular, the active material of anode 42 is applied to Teflon-coated graphite sheet 80. The anode active material side supported on sheet 80 is then contacted with first surface 50 of membrane 46. Cathode 44 on sheet 82
In contact with the second surface 52 of the membrane 46.
The sheets 80, 82 are hot pressed into the membrane while heating at a temperature and a compressive load for a time sufficient to soften the membrane 46 and at least partially embed at least some of the particles within the membrane, thereby forming the first and second sheets. The second electrodes 42 and 44 are formed. The embedded or intercalated particles are at least partially located on each surface of the membrane, but no particles are located below that surface or dispersed into the membrane.

【0037】加圧しながら加熱する段階は、約250〜
約1000ポンド/平方インチの圧縮荷重及び約280
゜F(130℃)〜約320゜F(160℃)の温度で約
1〜約5分間実施する。約300゜F(約150℃)の
温度、約1〜約2分間で約500ポンド/平方インチの
圧縮荷重が効果的であることが知見された。圧縮荷重は
経時で変化しても良い。即ち、より軽い荷重でより長時
間であっても良く、より重い荷重でより短時間であって
も良い。
The step of heating while applying pressure is about 250 to
Compressive load of about 1000 pounds per square inch and about 280
The operation is performed at a temperature between about 130 ° F. and about 320 ° F. for about 1 to about 5 minutes. A compressive load of about 500 pounds per square inch at a temperature of about 300 ° F (about 150 ° C) for about 1 to about 2 minutes has been found to be effective. The compression load may change over time. That is, a lighter load may be used for a longer time, and a heavier load may be used for a shorter time.

【0038】加圧下で電極を膜に埋め込むことにより、
膜電極アセンブリの一方から他方へプロトン導電性材料
の連続路を提供することができる。プロトン導電性材料
に触媒及びカーボン粒子を密に混合することによって、
反応が起きる触媒部位にプロトン用の連続路が提供され
る。この方法により、電極で膜に隣接する触媒粒子の相
対的に最適な利用率が得られる。
By embedding the electrodes in the membrane under pressure,
A continuous path of proton conductive material can be provided from one side of the membrane electrode assembly to the other. By intimately mixing the catalyst and carbon particles with the proton conductive material,
A continuous path for protons is provided at the catalytic site where the reaction takes place. In this way, a relatively optimal utilization of the catalyst particles adjacent to the membrane at the electrode is obtained.

【0039】アノードとカソードメイン(第2の)層を
形成するプロトン導電性材料と触媒粒子及びカーボン粒
子との割合は、100部をベースとして、プロトン導電
性材料が30〜約70部であり、残余は触媒粒子及びカ
ーボン粒子である。触媒粒子とカーボン粒子との割合
は、100重量部をベースとして触媒粒子は約20部以
下であり、残余はカーボン粒子である。カソードプライ
マリー層(第1の層)は触媒を含まないか、より少量の
触媒粒子を含む。量は触媒粒子0.02mg/cm2
オーダーである。これは、触媒粒子約5重量部及びカー
ボン粒子95重量部に対応する。
The proportion of the proton conductive material, the catalyst particles and the carbon particles forming the anode and cathode main (second) layers is from 30 to about 70 parts of the proton conductive material based on 100 parts, The balance is catalyst particles and carbon particles. The ratio of catalyst particles to carbon particles is about 20 parts by weight or less based on 100 parts by weight, and the balance is carbon particles. The cathode primary layer (first layer) contains no catalyst or less catalyst particles. The amount is on the order of 0.02 mg / cm 2 of catalyst particles. This corresponds to about 5 parts by weight of catalyst particles and 95 parts by weight of carbon particles.

【0040】一態様では、カソードはプロトン導電性材
料と混じったカーボン粒子を含む第1の層を含み;或い
は第1の層は0.02mg/cm2(5重量パーセント
プラチナ)のオーダーの少量のプラチナで残余はカーボ
ンであるように触媒を含有するカーボン粒子を含む。こ
の層は通常、40重量パーセントのプロトン導電性材料
(ナフィオン)を含み、残余は、60重量パーセントの
オーダーのカーボンまたは触媒含有カーボンである。こ
の層は通常、約10〜約13ミクロンの厚さを有する。
第2の層は20重量パーセントのプラチナの触媒含有カ
ーボン粒子を含有する。メイン層中のナフィオン対触媒
含有カーボンとの重量比はナフィオン(プロトン導電性
材料)30〜35重量パーセント及び触媒含有カーボン
65〜70重量パーセントである。カーボンと水から構
成されるスラリーのpHは約6〜9を示すのが望ましい。
好ましくは、pHは6.5を超え、約6.5〜9である。
平均孔径は5ナノメートルを超える半径に等しいのが好
ましい。これはメソポア及びミクロポアのいずれもの平
均孔径を表す。プライマリー(第1の層)とメイン(第
2の層)を支持する集電体は0.3〜0.35gm/c
2のオーダーの密度を有するのが好ましい。
In one embodiment, the cathode comprises a first layer comprising carbon particles mixed with a proton conducting material; or the first layer comprises a small amount of the order of 0.02 mg / cm 2 (5 weight percent platinum). Platinum contains carbon particles containing a catalyst so that the balance is carbon. This layer typically contains 40 weight percent proton conductive material (Nafion), with the balance being on the order of 60 weight percent carbon or catalyst-containing carbon. This layer typically has a thickness of about 10 to about 13 microns.
The second layer contains 20 weight percent platinum catalyst-containing carbon particles. The weight ratio of Nafion to catalyst-containing carbon in the main layer is 30-35 weight percent Nafion (proton conductive material) and 65-70 weight percent catalyst-containing carbon. Desirably, the pH of the slurry composed of carbon and water is about 6-9.
Preferably, the pH is above 6.5 and is about 6.5-9.
Preferably, the average pore size is equal to a radius greater than 5 nanometers. This represents the average pore size of both mesopores and micropores. The current collector supporting the primary (first layer) and the main (second layer) is 0.3 to 0.35 gm / c.
It preferably has a density on the order of m 2 .

【0041】[0041]

【実施例】本実施例では、膜電極アセンブリ(MEA)
12を製造した。アノードは慣用手段により製造し、カ
ソード電極は本発明の改良法により製造した。いずれの
場合にも集電体にはカーボン紙を使用し、電極の活性材
料成分を支持した。本実施例では、ナフィオン(登録商
標)及びテフロン(Teflon:登録商標)のいずれ
をも使用した。ナフィオン(登録商標)膜及びナフィオ
ン(登録商標)溶液は、それぞれ、Dupont and Solutio
n Technologyから入手した。ナフィオン(登録商標)は
Dupontの商標である。テフロン(登録商標)もDupontの
商標である。カーボンシート処理 Spectra Corp. Lawrence, MA製の8〜11mil厚さで
0.26g/cc〜0.7g/ccの密度のSpect
raCarb(SC)カーボンシートを入手した。棚に
水平方向にカーボン紙を置き、よく撹拌したテフロン/
水混合物中にカーボン紙と棚とを2分間浸漬することに
よりカーボン紙をコーティングした。DuPont製のテフロ
ン30B溶液1部(容積)と脱イオン水24部(容積)
とを混合することによりテフロン懸濁液を製造した。1
20℃で15〜20分間シートを乾燥した後、カーボン
紙を間接加熱室中、320℃で15分間及び380℃で
30〜60分間焼結した。シートのテフロン含有量はテ
フロン処理の前後でシートを秤量することにより計算し
た。カーボン紙のテフロン分布は電子顕微鏡分析を使用
して測定した。シートの上部は底部側よりも高いテフロ
ン含量を有していたことが観察された。MEA製造 カーボン紙をテフロンでコーティングした後、高テフロ
ン含量側を二重積層電極構造体のコーティング用に選択
した。触媒スラリーがカーボンシートに浸透しないよう
にプライマリー層はバリヤ層からなっていた。プライマ
リーカーボン/バリヤ層用のスラリーは、密なスラリー
を形成するために超音波浴中で2〜3分間、5w/oP
t、10g脱イオン水及び13.4gナフィオン溶液
(5%溶液、Solution Technology)と1gアセチレン
ブラック(AB)とを混合することにより製造した。ブ
ラシ、ドクターブレードまたはスプレーガンを使用して
テフロンコートカーボンシートの上部にABスラリーの
層を適用した後、シートをヒートランプ下、100℃で
15分間乾燥した。乾燥フィルムは触媒充填量0.02
mg/cm2、ナフィオン充填量40w/o及びカーボ
ンブラック充填量60w/oであった。TEM研究よ
り、プライマリー層は10〜13μmの厚さであること
が判明した。
EXAMPLE In this example, a membrane electrode assembly (MEA) was used.
12 were produced. The anode was manufactured by conventional means, and the cathode electrode was manufactured by the improved method of the present invention. In each case, carbon paper was used as the current collector to support the active material component of the electrode. In this example, both Nafion (registered trademark) and Teflon (registered trademark) were used. Nafion® membrane and Nafion® solution are available from Dupont and Solutio, respectively.
Obtained from n Technology. Nafion (registered trademark)
Dupont is a trademark. Teflon is also a trademark of Dupont. Carbon sheet treatment Spectra Corp. Lawrence, MA, 8-11 mil thick, with a density of 0.26 g / cc to 0.7 g / cc.
RaCarb (SC) carbon sheet was obtained. Place carbon paper horizontally on a shelf and mix well with Teflon /
The carbon paper was coated by dipping the carbon paper and shelf in the water mixture for 2 minutes. 1 part (volume) of Teflon 30B solution made by DuPont and 24 parts (volume) of deionized water
Was mixed to produce a Teflon suspension. 1
After drying the sheet at 20 ° C for 15-20 minutes, the carbon paper was sintered in an indirect heating chamber at 320 ° C for 15 minutes and 380 ° C for 30-60 minutes. The Teflon content of the sheet was calculated by weighing the sheet before and after Teflon treatment. The Teflon distribution of the carbon paper was measured using electron microscopy analysis. It was observed that the top of the sheet had a higher Teflon content than the bottom side. After coating the MEA manufactured carbon paper with Teflon, the high Teflon content side was selected for coating the double laminated electrode structure. The primary layer consisted of a barrier layer so that the catalyst slurry did not penetrate the carbon sheet. The slurry for the primary carbon / barrier layer is 5 w / oP in an ultrasonic bath for 2-3 minutes to form a dense slurry.
t, prepared by mixing 10 g deionized water and 13.4 g Nafion solution (5% solution, Solution Technology) with 1 g acetylene black (AB). After applying a layer of AB slurry on top of the Teflon coated carbon sheet using a brush, doctor blade or spray gun, the sheet was dried under a heat lamp at 100 ° C. for 15 minutes. The dry film has a catalyst loading of 0.02
mg / cm 2 , Nafion loading 40 w / o and carbon black loading 60 w / o. TEM studies revealed that the primary layer was 10-13 μm thick.

【0042】カソード触媒をメイン触媒層(第2の層)
に担持させるために、異なる特性を持つ9種類のカーボ
ン担体について評価した。アノード触媒の担体は慣用法
により製造したVulcan XC−72Rであった。
カソード触媒に使用したカーボンは、入手したまま及び
熱処理形のいずれをも使用した。熱処理はアルゴン中、
1000℃で1時間実施した。カーボンにプラチナ(P
t)触媒を担持した。触媒は、ヘキサクロロプラチナ酸
(Johnson Matthey)の水溶液をカーボン/水混合物に添
加し、続いて1時間撹拌することによって製造した。次
いで過剰量のホウ水素化ナトリウムをカーボンスラリー
に滴下添加することにより、Pt(IV)を金属状態に
還元した。混合物をさらに1時間撹拌した後、1M硫酸
を添加することにより溶液のpHを約7.0に調節した。
最終的にプラチナを充填したカーボン混合物を濾過し、
水で十分に洗浄し、空気中、100℃で一晩乾燥した。
次いでプラチナ含有カーボンと5w/oナフィオン溶液
(Solution Technology, Inc., Mendenhall, Pennsylvan
ia)と十分混合することによりスラリーを製造した。プ
ライマリー層(第1の層)で予めコーティングしたカー
ボンシートにこの触媒スラリーを適用した。触媒スラリ
ーはブラッシングにより適用し、電極を100℃で1時
間乾燥した。十分に乾燥したカーボンシートをそれぞれ
の層の適用前後で秤量することによりPt充填量を計算
した。MEAを製造するために、Dow実験膜またはナ
フィオン112膜を2つの電極の間にサンドイッチし、
MEAを500〜1000lb/平方インチで300゜
Fで1.5〜2.0分間熱プレスした。MEA評価 25cm2の活性電極面積を有する膜電極アセンブリを
グラファイト製単一電池テスト取付具(Electrochem, In
c)内に設置した。IBM PC−ベースのデータ取得装
置及び制御システムを使用して、電池電位または電流、
温度、圧力、ガスのマスフロー及び反応ガスの湿分(hum
idification)を制御したGlobe−Tech燃料電池
試験ステーションにより単一電池を操作した。MEAを
調節するために、電池を80℃及び30psig圧力で
反応体として水素/酸素で1A/cm2で24時間操作
した。電流−電圧曲線は、80℃及び種々のガス圧で反
応体としてH2/空気を使用して記録した。反応体化学
量論量は空気に関しては2.5〜3であり、H2に関し
ては1.2〜1.5であった。それぞれの試験の終了
時、上記の如くカソードのPt触媒の電気化学的に活性
な表面積を測定するために、MEAの環状ボルトアンモ
グラム(cyclic voltammogram; CV)を記録した。実験結果 集電体処理の効果 テフロン(登録商標)などの耐水剤(wet-proofing agen
t)を充填した後、集電体及びガス拡散器としてグラファ
イトシートを使用した。カーボンシート中のテフロン充
填量を変えることに加えて、カーボンシートの密度も変
えた。20w/oPt(Vulcan XC−72Rカ
ーボン上に担持)を触媒として使用し、ナフィオン11
2膜とPt充填量0.28mg/cm2/電極でMEA
を製造した。図5は、燃料電池性能における集電体のテ
フロン含量の変動効果を示す。テフロン充填量が高くな
るにつれて、電池の性能は低電流密度へと低下した。マ
トリックス中に高レベルの非−導電性テフロンポリマー
があるため電極抵抗率の上昇も副次的な効果として知見
される。電極の疎水性を高めるためにテフロンを添加す
るので、疎水性が増加して反応部位から水を除去するの
が難しいようである。これにより、テフロン含量の増加
に連れて種々の電圧での電流の急激な低下を起こす電極
のフローディング(flooding)が起きる。4w/o(重量
パーセント)の最低グラファイト紙テフロン含量で、こ
の一連の実験における最高の燃料電池性能(0.6Vに
おいて820mA/Cm2)が得られた。即ち、テフロ
ン4重量パーセント及びグラファイト紙96重量パーセ
ントである。
The cathode catalyst is used as a main catalyst layer (second layer)
Nine types of carbon carriers having different characteristics were evaluated for the purpose of supporting them. The support for the anode catalyst was Vulcan XC-72R manufactured by conventional methods.
As the carbon used for the cathode catalyst, both as-received and heat-treated carbons were used. Heat treatment in argon,
Performed at 1000 ° C. for 1 hour. Platinum on carbon (P
t) The catalyst was supported. The catalyst is hexachloroplatinic acid
It was prepared by adding an aqueous solution of (Johnson Matthey) to a carbon / water mixture followed by stirring for 1 hour. Subsequently, Pt (IV) was reduced to a metal state by adding an excess amount of sodium borohydride dropwise to the carbon slurry. After the mixture was stirred for an additional hour, the pH of the solution was adjusted to about 7.0 by adding 1 M sulfuric acid.
Finally filtering the carbon mixture filled with platinum,
Washed thoroughly with water and dried in air at 100 ° C. overnight.
Next, platinum-containing carbon and a 5 w / o Nafion solution
(Solution Technology, Inc., Mendenhall, Pennsylvan
A slurry was prepared by thorough mixing with ia). This catalyst slurry was applied to a carbon sheet previously coated with a primary layer (first layer). The catalyst slurry was applied by brushing and the electrodes were dried at 100 ° C. for 1 hour. The Pt loading was calculated by weighing a sufficiently dried carbon sheet before and after applying each layer. To fabricate the MEA, sandwich a Dow experimental membrane or Nafion 112 membrane between the two electrodes,
MEA 300 ゜ at 500-1000 lb / in 2
It was hot-pressed with F for 1.5 to 2.0 minutes. The MEA evaluation of a membrane electrode assembly with an active electrode area of 25 cm 2 was performed using a graphite single cell test fixture (Electrochem, In
c) Installed inside. Using an IBM PC-based data acquisition device and control system, battery potential or current,
Temperature, pressure, gas mass flow and reaction gas humidity
Single cells were operated by a glove-tech fuel cell test station with controlled identification. To regulate the MEA, the cell was operated at 1 A / cm 2 with hydrogen / oxygen as reactant at 80 ° C. and 30 psig pressure for 24 hours. Current-voltage curves were recorded at 80 ° C. and various gas pressures using H 2 / air as reactant. Reactant stoichiometry is 2.5 to 3 with respect to the air, with respect to H 2 it was 1.2 to 1.5. At the end of each test, a cyclic voltammogram (CV) of the MEA was recorded to determine the electrochemically active surface area of the cathode Pt catalyst as described above. Experimental results Effect of current collector treatment Wet-proofing agen such as Teflon (registered trademark)
After filling in t), a graphite sheet was used as a current collector and a gas diffuser. In addition to changing the Teflon loading in the carbon sheet, the density of the carbon sheet was also changed. Using 20 w / o Pt (supported on Vulcan XC-72R carbon) as a catalyst, Nafion 11
MEA with 2 membranes and Pt loading of 0.28 mg / cm 2 / electrode
Was manufactured. FIG. 5 shows the effect of varying the Teflon content of the current collector on fuel cell performance. As the Teflon loading increased, the performance of the battery decreased to lower current densities. Due to the high level of non-conductive Teflon polymer in the matrix, an increase in electrode resistivity is also seen as a side effect. Since Teflon is added to increase the hydrophobicity of the electrode, it seems to be difficult to remove water from the reaction site due to the increased hydrophobicity. This results in electrode flooding, which causes a sharp drop in current at various voltages with increasing Teflon content. With a minimum graphite paper Teflon content of 4 w / o (weight percent), the highest fuel cell performance in this series of experiments (820 mA / Cm 2 at 0.6 V) was obtained. That is, 4% by weight of Teflon and 96% by weight of graphite paper.

【0043】メイン触媒層をコーティングする前にグラ
ファイトシートにプライマリーカーボン層を適用する効
果を図6に示す。膜界面近くのメイン触媒層の密度を高
めることによりプライマリー層によって燃料電池性能が
改善し易くなる。触媒スラリーはグラファイトシートを
貫通しないため、プライマリーカーボン層(第1の層)
は以下に示すような優れた性能を示す低密度カーボンシ
ートを使用するための重要な役割を果たす。
FIG. 6 shows the effect of applying a primary carbon layer to a graphite sheet before coating the main catalyst layer. By increasing the density of the main catalyst layer near the membrane interface, the primary layer can easily improve fuel cell performance. Since the catalyst slurry does not penetrate the graphite sheet, the primary carbon layer (first layer)
Plays an important role in using a low-density carbon sheet having excellent performance as described below.

【0044】PEM燃料電池性能における0.26g/
cc〜0.7g/ccの範囲のカーボンシート集電体の
密度効果について研究し、結果を図7に示す。質量輸送
が限定されているため、電圧が急激に低下した電流密度
が紙の密度からをはっきりと確定した。より低い密度シ
ートはより多孔性なので、マクロ多孔度(macrop
orosity)により高い電流密度においてさえも水
の除去が容易である。紙の密度が0.7から0.26g
/ccへ減少するのにつれて、2つの効果が知見され
た。第1に、0.26g/ccに低下する前に0.6V
における電流密度は、0.33g/ccにおいて0.6
2A/cm2から1A/cm2に増加した。4w/oの最
適レベルから8w/oもの高いテフロン含量に増加して
いるのにもかかわらず、0.33g/ccの密度で電池
性能においてこのような改善が知見された。溶液中に一
定のテフロン濃度を有するスラリーから低密度でより多
くのテフロをン取り込むため、紙密度が減少するのに連
れてテフロン含量は4から11.7w/oに増加した。
テフロン含量が増加したので、紙密度0.33g/cc
において0.6Vの電流密度で最大となったらしい。第
2に、電流−電圧曲線の直線領域での最大電流密度(急
激に低下する前)は、0.26g/ccの最低密度で
0.6A/cm2から1.8A/cm2もの高さに増加し
た。かくして、0.3〜0.35g/ccの集電体密度
はカソード用途に関して最適であると考えられる。メイン触媒層におけるナフィオン含量の効果 電解質と全ての触媒粒子とを確実によく接触させておく
ために、触媒層にはそのマトリックス中にプロトン導電
性ナフィオンポリマーが必要である。しかしながら、ナ
フィオンが過剰量であると水が滞留し、その結果触媒部
位がフローディングを起こすため、ナフィオン量を最適
化しなければならない。図8は、PEM燃料電池性能に
おけるカソードナフィオン含量の効果を示す。この一連
の実験では社内で製造した20w/o Pt/Vulc
an XC−72R触媒、テフロン含量19w/oのグ
ラファイト紙(10ミル、0.42g/cc、Spec
traCorp製)を使用した。20w/oから30w
/o(重量パーセント)にナフィオン含量が上昇すると
燃料電池性能が大きく改善したが、さらに上昇すると電
池性能は減少した。
In the PEM fuel cell performance, 0.26 g /
The density effect of the carbon sheet current collector in the range of cc to 0.7 g / cc was studied, and the results are shown in FIG. Due to the limited mass transport, the current density at which the voltage dropped sharply was clearly determined from the density of the paper. Because lower density sheets are more porous, macroporosity (macrop)
water facilitates water removal even at high current densities. 0.7 to 0.26g paper density
As it decreased to / cc, two effects were observed. First, 0.6V before dropping to 0.26g / cc.
Current density at 0.33 g / cc is 0.6
It increased from 2 A / cm 2 to 1 A / cm 2 . Such an improvement in battery performance at a density of 0.33 g / cc was found, despite increasing from an optimal level of 4 w / o to a Teflon content as high as 8 w / o. The Teflon content increased from 4 to 11.7 w / o as the paper density decreased to incorporate more tephron at lower density from slurries having a constant Teflon concentration in the solution.
As the Teflon content increased, paper density 0.33g / cc
It seems that the maximum was obtained at a current density of 0.6 V. Second, the maximum current density in the linear region of the current-voltage curve (before the sharp drop) is as high as 0.6 A / cm 2 to 1.8 A / cm 2 at a minimum density of 0.26 g / cc. Increased. Thus, a current collector density of 0.3-0.35 g / cc is considered optimal for cathode applications. Effect of the Nafion Content in the Main Catalyst Layer To ensure good contact between the electrolyte and all catalyst particles, the catalyst layer requires a proton conductive Nafion polymer in its matrix. However, if Nafion is in excess, water will stagnate, which will cause the catalyst sites to load, so the Nafion amount must be optimized. FIG. 8 shows the effect of cathode Nafion content on PEM fuel cell performance. In this series of experiments, 20w / o Pt / Vulc manufactured in-house
An XC-72R catalyst, graphite paper with Teflon content of 19 w / o (10 mil, 0.42 g / cc, Spec)
traCorp). 20w / o to 30w
Increasing the Nafion content to / o (weight percent) greatly improved fuel cell performance, while further increasing decreased cell performance.

【0045】ナフィオン充填量の効果を説明するため
に、プラチナ触媒の実質表面積を電気化学水素吸着法に
より測定し、その結果を表1に示す。ナフィオン充填量
が30w/o未満のときは、ナフィオン含量が上昇する
と実質Pt表面積も増加することが知見される。その結
果、プロトン−導電性電解質への触媒部位の接近性(acc
essibility)が高まる。実際のPt充填量の違いを考慮
し、全Pt充填量を使用してPt表面積、幾何学的表面
積及び絶対電気化学的面積を標準化した。表1から、2
0から0w/oにナフィオン含量が増加すると標準化し
た表面積が57%増加するので、燃料電池性能が大きく
増加したことの説明となることがわかる。30w/o以
上にナフィオン充填量が増加しても実質面積はほんの少
ししか増加しないので、電極水処理における過剰のナフ
ィオンの悪影響により燃料電池性能には効果はなかっ
た。
In order to explain the effect of the Nafion filling amount, the actual surface area of the platinum catalyst was measured by an electrochemical hydrogen adsorption method, and the results are shown in Table 1. When the Nafion content is less than 30 w / o, it is found that as the Nafion content increases, the substantial Pt surface area also increases. As a result, the accessibility of the catalytic site to the proton-conductive electrolyte (acc.
essibility) is increased. Taking into account the differences in the actual Pt loading, the total Pt loading was used to standardize the Pt surface area, geometric surface area and absolute electrochemical area. From Table 1, 2
It can be seen that increasing the Nafion content from 0 to 0 w / o increases the standardized surface area by 57%, which explains that the fuel cell performance has increased significantly. Even if the Nafion filling amount is increased to 30 w / o or more, the substantial area increases only slightly, so that there was no effect on the fuel cell performance due to the adverse effect of excessive Nafion in the electrode water treatment.

【0046】ナフィオンはバインダーであり、メイン層
または触媒層(第2の層)とカーボンシートとの間には
優れた結合が必要であるため、プライマリー層(第1の
層)にはより多いナフィオン充填量が必要であると考え
られた。プライマリー層におけるナフィオン充填量が3
0〜35%に低下すると、メイン層または触媒層(第2
の層)に亀裂が知見された。プライマリー層中30%ナ
フィオンで実施した実験では燃料電池性能も低かった。メイン触媒層におけるカーボン担体の効果 燃料電池触媒を分散させるのに使用したカーボン担体の
物理−化学特性は、特に空気カソードでの電池水処理で
重要な役割を有する。米国特許第5,272,017号
及び同第5,316,817号では、周囲条件下で、ア
ノード用のボールミル粉砕したVulcan XC−7
2及びカソード用の入手したままのKetjenブラッ
クは優れた性能を示した。キャピラリー力により駆動さ
れるフローディングの程度及びPt触媒の分散度を測定
するために、全表面積、孔分布率、孔容積、及び平均孔
径などの物理的特性を測定した。スラリーpHにより測
定したように表面化学組成などの化学的特性は孔壁の疎
水性度を決定する。半−疎水性領域は電極マトリックス
からの水を確実にはじき、触媒部位に反応体ガスを容易
に輸送することができる。表2は燃料電池電極性能に重
要なカーボンブラックの種々の物理化学的特性を列記す
る。カーボンのミクロポアは直径2nm未満の孔径を有
するが、マクロポアは2〜50nmの範囲の孔径を有す
る。アセチレンブラックはメソポア面積の割合が最大
で、AX−21はメソポア面積の割合が最小である。入
手したままの状態でカーボンは酸性及びアルカリ性のい
ずれもあるが、熱処理すると全てアルカリ性となる。入
手したままの状態でKetjenBlack及びBla
ck Pearls2000カーボンは最高のpHを有
し、Raven5000は最低のpHを有する。電極の
製造ではカーボン粒子の密度及びガス拡散が可能な孔容
積も重要である。これは10w/oPtを充填したカー
ボンブラック1グラムの容積から評価することができ、
図9に示す。アセチレンブラック及びRaven500
0はそれぞれ、最高のカーボン容積及び最低のカーボン
容積を有していた。Vulcan XC−72R、Ke
tjenBlack、Printex及びBlack
Pearls2000は似たような孔容積を有してい
た。
Nafion is a binder, and since a good bond is required between the main layer or the catalyst layer (second layer) and the carbon sheet, more Nafion is used in the primary layer (first layer). It was thought that a filling amount was necessary. Nafion loading in primary layer is 3
When it is reduced to 0 to 35%, the main layer or the catalyst layer (second
Cracks were found in the layer In experiments performed with 30% Nafion in the primary layer, fuel cell performance was also poor. Effect of Carbon Support in Main Catalyst Layer The physico-chemical properties of the carbon support used to disperse the fuel cell catalyst play an important role, especially in battery water treatment at the air cathode. In U.S. Patent Nos. 5,272,017 and 5,316,817, under ambient conditions, ball milled Vulcan XC-7 for anodes is disclosed.
2 and Ketjen black as received for the cathode performed excellently. Physical properties such as total surface area, pore distribution, pore volume, and average pore size were measured to determine the degree of loading driven by the capillary force and the degree of dispersion of the Pt catalyst. Chemical properties, such as surface chemical composition, as measured by slurry pH, determine the hydrophobicity of the pore wall. The semi-hydrophobic region reliably repels water from the electrode matrix and can easily transport reactant gases to the catalyst site. Table 2 lists various physicochemical properties of carbon black that are important for fuel cell electrode performance. Carbon micropores have pore sizes less than 2 nm in diameter, while macropores have pore sizes in the range of 2-50 nm. Acetylene black has the largest proportion of mesopore area, and AX-21 has the smallest proportion of mesopore area. As-received carbon has both acidic and alkaline properties, but all become alkaline upon heat treatment. KetjenBlack and Bla as received
ck Pearls 2000 carbon has the highest pH and Raven 5000 has the lowest pH. In the production of the electrode, the density of the carbon particles and the pore volume allowing gas diffusion are also important. This can be assessed from the volume of 1 gram of carbon black filled with 10 w / o Pt,
As shown in FIG. Acetylene black and Raven 500
0 each had the highest and lowest carbon volumes. Vulcan XC-72R, Ke
tjenBlack, Printex and Black
Pearls 2000 had a similar pore volume.

【0047】図10は種々の入手したままのカーボンブ
ラックと熱処理したカーボンブラックに関する燃料電池
性能を表す。これらの実験は最適の集電体の厚さまたは
テフロン充填量で実施しなかったが、これらの実験は担
体の疎水性と相互関連する重要な傾向を示している。K
Bが明らかに最高であることが解るが、周囲条件での場
合と異なり高温及び圧力実験では、アセチレンブラッ
ク、Ketjen Black及びVulcan XC
−72Rは似たような性能を示す。アセチレンブラッ
ク、Ketjen Black、Printex及びV
ulcanXC−72Rを熱処理すると、入手したまま
のカーボンの場合と比較して電池性能が低下した。熱処
理したRaven5000及びBlack Pearl
s2000はそれぞれ電池性能が88%及び43%も大
きく増加した。Vulcan XC−72Rをボールミ
ル粉砕、熱処理及びボールミル粉砕と熱処理との組合せ
などの種々の物理的処理にかけ、その結果を図11に示
す。Vulcan XC−72Rをボールミル粉砕また
はボールミル粉砕/熱処理の組合せにかけると、電池性
能が40%低下した。ひとつには、質量輸送を制限して
しまいうるボールミル粉砕によってカーボン容積が(6
0%だけ)減少し、平均の孔半径が(30%だけ)減少
したものと考えられよう。
FIG. 10 shows the fuel cell performance for various as received carbon blacks and heat treated carbon blacks. Although these experiments were not performed at optimal current collector thickness or Teflon loading, these experiments show an important trend that correlates with the hydrophobicity of the carrier. K
It can be seen that B is clearly the highest, but unlike at ambient conditions, high temperature and pressure experiments show that acetylene black, Ketjen Black and Vulcan XC
-72R shows similar performance. Acetylene black, Ketjen Black, Printex and V
Heat treatment of ulcan XC-72R reduced battery performance compared to as-received carbon. Heat-treated Raven 5000 and Black Pearl
The s2000 greatly increased the battery performance by 88% and 43%, respectively. Vulcan XC-72R was subjected to various physical treatments such as ball milling, heat treatment and a combination of ball milling and heat treatment, and the results are shown in FIG. Subjecting Vulcan XC-72R to ball milling or a combination of ball milling / heat treatment reduced cell performance by 40%. For one, the carbon volume is reduced by (6) ball milling, which can limit mass transport.
It would be considered that the average pore radius was reduced (by 30%).

【0048】種々のカーボン上に分散されたPt触媒の
実質プラチナ表面積を測定することにより、何故熱処理
をすると特定のカーボンの性能が低下して、他のカーボ
ンの性能は大きく上昇するかということをさらに洞察し
た。図12は、プラチナ実質表面積におけるカーボンの
タイプの効果を示し、Ketjen BlackとAX
−21は最大プラチナ表面積84m2/gmを示した
が、AX−21は最低の電池性能を示した。このことは
分散されたプラチナ触媒の利用率の改善におけるカーボ
ンの物理化学的特性の役割を再強調している。Ketj
en BlackとPrintex上に分散された触媒
の実質Pt面積が熱処理により50%減少したのは興味
深い。これは、プラチナ溶液は付着時にカーボン孔に浸
透しなければならないため、疎水性の高い担体はプラチ
ナ触媒をよく分散させないことを示している。このこと
は、何故入手したままのKB、AB及びVulcanが
その熱処理形と比較して優れた性能であったかを説明す
る。中性範囲6〜9のスラリーpH、特にその入手した
ままの状態で、5nmを超える平均孔半径を有するカー
ボンブラックがPEM燃料電池カソード用途用のPt触
媒の分散に最適であると結論できる(図9及び図1
0)。スラリーpHは水中のカーボンスラリーのpHを
測定したものである。
By measuring the actual platinum surface area of Pt catalysts dispersed on various carbons, it is possible to determine why heat treatment reduces the performance of certain carbons and greatly increases the performance of other carbons. Further insight. FIG. 12 shows the effect of carbon type on platinum real surface area, Ketjen Black and AX
-21 showed a maximum platinum surface area of 84 m 2 / gm, while AX-21 showed the worst battery performance. This reemphasizes the role of carbon physicochemical properties in improving the utilization of dispersed platinum catalysts. Ketj
Interestingly, the heat treatment reduced the real Pt area of the catalyst dispersed on en Black and Printex by 50%. This indicates that a highly hydrophobic carrier does not disperse the platinum catalyst well, since the platinum solution must penetrate the carbon pores during deposition. This explains why KB, AB and Vulcan as received had superior performance compared to their heat treated form. It can be concluded that a slurry pH in the neutral range of 6-9, especially as received, carbon black with an average pore radius greater than 5 nm is optimal for dispersing Pt catalysts for PEM fuel cell cathode applications (Figure 9 and FIG.
0). Slurry pH is a measurement of the pH of a carbon slurry in water.

【0049】アセチレンブラック(AB)は半−疎水性
の担体に最適pHであったので、プライマリーカーボン
層(第1の層)のpHは変えなかった。プライマリー層
(第1の層)用の最適pH範囲はメインまたは触媒層
(第2の層)とは大きく異なるとは考えにくい。
Since acetylene black (AB) had an optimum pH for the semi-hydrophobic carrier, the pH of the primary carbon layer (first layer) was not changed. It is unlikely that the optimal pH range for the primary layer (first layer) is significantly different from the main or catalyst layer (second layer).

【0050】プライマリー層(第1の層)の最適の孔半
径は触媒層と同様でもよいが、違える必要はない。しか
しながら、単位質量当たりのカーボン容積は重要であろ
う。ABは最低の密度なので、1グラム当たり最高の容
積を有する(図9)。従ってABは、プライマリー層内
の孔の中にくまなくガスを輸送することを大きく阻害す
ることなくカーボンシートの孔を機械的に確実に塞ぐだ
ろう。これに基づくと、これらのカーボン粒子は少なく
とも約10cm3/gmの1グラム当たりの容積を特徴
とするのが好ましい。これはプライマリー層のカーボン
粒子に関しては約0.1gm/cm3以下の密度に対応
する。
The optimum pore radius of the primary layer (first layer) may be the same as that of the catalyst layer, but need not be different. However, the volume of carbon per unit mass may be important. AB has the highest volume per gram because AB is the lowest density (FIG. 9). Thus, the AB will mechanically close the holes in the carbon sheet without significantly impeding the transport of gas throughout the holes in the primary layer. On this basis, these carbon particles are preferably characterized by a volume per gram of at least about 10 cm 3 / gm. This corresponds to a density of about 0.1 gm / cm 3 or less for the carbon particles in the primary layer.

【0051】触媒は場合によりプライマリー層(第1の
層)内に含ませることができるが、反応領域はメインま
たは触媒層(第2の層)を超えては展開しそうもないの
で、必須ではない。しかしながら、痕跡量の触媒(プラ
チナ)を添加するとマトリックスの導電性を改善し、電
池性能を促進する。0.02mg/cm2の非常に低い
充填量でも十分であるが、この程度の量で妥当であり、
さらに充填量を増加させるのは有益ではないようであ
る。0から0.15mg/cm2以下のオーダーの範囲
が妥当であると考えられる。
The catalyst can optionally be included in the primary layer (first layer), but is not essential as the reaction zone is unlikely to extend beyond the main or catalyst layer (second layer) . However, the addition of traces of catalyst (platinum) improves the conductivity of the matrix and promotes battery performance. A very low loading of 0.02 mg / cm 2 is sufficient, but this amount is reasonable,
Further increasing the loading does not seem to be beneficial. A range on the order of 0 to 0.15 mg / cm 2 or less is considered reasonable.

【0052】[0052]

【表1】 [Table 1]

【0053】[0053]

【表2】 [Table 2]

【0054】[0054]

【表3】 [Table 3]

【0055】要約すれば、本発明は、燃料電池反応用の
触媒層を担持する2つのカーボンシート集電体の間にサ
ンドイッチされた膜を含む膜−電極アセンブリ(ME
A)を含むPEM燃料電池の必須成分を改良する。本明
細書に記載された特徴により、膜/電極界面の反応部位
に酸素を輸送する速度を促進し、生成水の除去を改良す
る。これは、空気電極(カソード)のデザイン及び構
造;グラファイト紙密度及びそのテフロン含量;反応層
におけるナフィオン充填量;並びに触媒を分散するのに
使用したカーボン担体のスラリーpHと孔分布を注意深
く最適化することにより達成される。これらの特徴によ
り触媒分散、触媒層へのガス輸送、及び水処理を改善す
る。
In summary, the present invention provides a membrane-electrode assembly (ME) comprising a membrane sandwiched between two carbon sheet current collectors carrying a catalyst layer for a fuel cell reaction.
The essential components of the PEM fuel cell containing A) are improved. The features described herein enhance the rate of transporting oxygen to the reaction site at the membrane / electrode interface and improve the removal of product water. This carefully optimizes the design and structure of the air electrode (cathode); graphite paper density and its Teflon content; Nafion loading in the reaction layer; and the slurry pH and pore distribution of the carbon support used to disperse the catalyst. This is achieved by: These features improve catalyst dispersion, gas transport to the catalyst layer, and water treatment.

【0056】電極中のナフィオンは触媒層においてプロ
トン−導電性電解質と同程度に優れたバインダーとして
作用する。カーボン担体は室温及び近周囲圧力で操作し
た電池用に早くから研究されていた。カソードのKet
jen Black及びアノードのボールミル粉砕した
Vulcan XC−72Rは、最適水処理及びプラチ
ナ触媒の分散用に最高のカーボンブラック担体であるこ
とが知見された(米国特許第5,272,017号及び
同第5,316,817号)。
Nafion in the electrode acts as a binder in the catalyst layer, as good as the proton-conductive electrolyte. Carbon supports have been studied early for batteries operated at room temperature and near ambient pressure. Ket of cathode
Jen Black and anode ball milled Vulcan XC-72R have been found to be the best carbon black supports for optimal water treatment and dispersion of platinum catalysts (US Pat. Nos. 5,272,017 and 5). , 316,817).

【0057】米国特許第5,272,017号及び同第
5,316,817号に記載された改良法より以前の膜
電極アセンブリ(MEA)の製造法は、プラチナ処理カ
ーボンスラリーで膜をコーティングし、次いで集電体と
してカーボンシートを膜に付けることを含んでいた。こ
れにはナフィオン117などの高い当量の厚い膜に主に
好適であるという欠点があった。米国特許第5,27
2,017号及び同第5,316,817号の方法は、
カーボンシートに触媒含有カーボンスラリーを直接適用
し、続いて膜に電極を熱プレスすることを含んでいた。
本発明のアプローチでは、大量生産用及び、ガス拡散裏
打ち用のカーボンシートまたはプロトン交換膜のどんな
種類にも直ちに適用することができる多層電極構造体を
使用する。
Prior to the improvement described in US Pat. Nos. 5,272,017 and 5,316,817, a method of manufacturing a membrane electrode assembly (MEA) was to coat the membrane with a platinum-treated carbon slurry. And then applying a carbon sheet to the membrane as a current collector. This had the disadvantage that it was primarily suitable for high equivalent weight thick films such as Nafion 117. US Patent 5,27
The methods of 2,017 and 5,316,817 are:
This involved applying the catalyst-containing carbon slurry directly to the carbon sheet, followed by hot pressing the electrodes on the membrane.
The approach of the present invention uses a multilayer electrode structure that can be readily applied to any type of carbon sheet or proton exchange membrane for mass production and for gas diffusion linings.

【0058】多層カソード構造体は、極少量(0.02
mg/cm2)のPtを含むプライマリーカーボンブラ
ック層と20w/oPtを充填した好適に処理したカー
ボンブラックのメインプライマリー触媒層とからなる。
プライマリー層はメイン触媒層のコーティング性能を改
良し、膜界面近くに層を局在化することにより電池性能
を改良し易くする。電極マトリックスからの水をはじく
ために好適な疎水性であるが、高い触媒利用率でPt触
媒を分散するのに十分な疎水性をもつカーボン担体によ
りメイン触媒層の性能を最適化した。メイン触媒層への
ナフィオンポリマーの充填、及びカーボンシート集電体
へのテフロンポリマーの充填も、ガス散布及び触媒利用
率がより高くなるように最適化された。0.3〜0.3
5g/ccの範囲の密度及び5w/o未満のテフロン含
量のカーボンシートが集電体に最適であることが知見さ
れた。30〜35w/oのカソードナフィオン含量であ
れば、電極のフローディングを最小に保持しながら許容
可能なPt利用率とすることができた。カソード触媒担
体として評価された広範な特性の種々のカーボン材料の
中でも、5nmを超える平均孔半径と6〜9の中性範囲
のスラリーpHをもつカーボンがカソード用途に最適で
あることが知見された。
The multilayer cathode structure has a very small amount (0.02
mg / cm 2 ) of Pt and a suitably treated carbon black main primary catalyst layer filled with 20 w / o Pt.
The primary layer improves the coating performance of the main catalyst layer and facilitates improving battery performance by localizing the layer near the membrane interface. The performance of the main catalyst layer was optimized with a carbon support that was hydrophobic enough to repel water from the electrode matrix, but sufficient to disperse the Pt catalyst with high catalyst utilization. The filling of the Nafion polymer into the main catalyst layer and the Teflon polymer into the carbon sheet current collector were also optimized for higher gas sparging and catalyst utilization. 0.3-0.3
Carbon sheets with densities in the range of 5 g / cc and a Teflon content of less than 5 w / o have been found to be optimal for the current collector. With a cathode Nafion content of 30-35 w / o, acceptable Pt utilization could be achieved while keeping electrode loading to a minimum. Among various carbon materials with a wide range of properties evaluated as cathode catalyst supports, carbon with an average pore radius of greater than 5 nm and a slurry pH in the neutral range of 6-9 was found to be optimal for cathode applications. .

【0059】本明細書中に示した水素/空気電池の優れ
た性能は、カソードのナフィオン含量、カーボンシート
の密度及びテフロン含量などの種々の製造及び組成パラ
メーターにより達成され、触媒を分散させるために使用
したカーボン担体の物理化学的特性は全て最適化され
た。本発明の有効性は本明細書中に記載された試験結果
から明らかである。
The excellent performance of the hydrogen / air cell presented herein is achieved by various manufacturing and composition parameters such as cathode Nafion content, carbon sheet density and Teflon content, and is useful for dispersing the catalyst. All the physicochemical properties of the carbon support used were optimized. The effectiveness of the present invention is evident from the test results described herein.

【0060】本発明を特定の態様について記載してきた
が、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範
囲の請求にのみ限定されるものである。
Although the invention has been described with respect to particular embodiments, it is not limited to the above description, but only by the claims appended hereto.

【0061】独占的な所有権または特権が請求される本
発明の態様は、特許請求の範囲に定義されている。
The embodiments of the invention in which an exclusive property or privilege is claimed are defined in the following claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は、本発明による電極と、膜及び電極の結
合アセンブリとを有する、組み立てていない電気化学燃
料電池の略図である。
FIG. 1 is a schematic illustration of an unassembled electrochemical fuel cell having an electrode according to the present invention and a combined membrane and electrode assembly.

【図2】図2は、本発明の膜電極アセンブリの断面絵画
図である。
FIG. 2 is a pictorial cross-sectional view of the membrane electrode assembly of the present invention.

【図3】図3は、グラファイトシートを有する膜電極ア
センブリの別の断面絵画図である。
FIG. 3 is another pictorial illustration of a membrane electrode assembly having a graphite sheet.

【図4】図4は、プロトン導電性材料と混じった触媒粒
子を担持しているカーボン粒子を示す拡大図である。
FIG. 4 is an enlarged view showing carbon particles carrying catalyst particles mixed with a proton conductive material.

【図5】図5は、80℃、空気/H2、3/1.2化学
量論量、30psigで操作したPEM燃料電池におけ
る集電体のテフロン含量の効果を示す。20w/oPt
Vu、10mil SC、0.5g/cc、ナフィオン
112膜、Pt充填量=0.28mg/cm2/電極で
ある。
FIG. 5 shows the effect of current collector Teflon content in a PEM fuel cell operated at 80 ° C., air / H 2 , 3 / 1.2 stoichiometry, 30 psig. 20w / oPt
Vu, 10 mil SC, 0.5 g / cc, Nafion 112 film, Pt loading = 0.28 mg / cm 2 / electrode.

【図6】図6は、PEM燃料電池性能において、プライ
マリーカーボン/触媒層を用いる効果を示す。メイン層
及びプライマリー層に対してそれぞれ20w/oPtV
u及び5w/oPtABを使用した。ナフィオン112
膜;Pt充填量;0.35mg/cm2/電極;空気/
水素、80℃、30psig;3/1.2化学量論量。
FIG. 6 shows the effect of using a primary carbon / catalyst layer on PEM fuel cell performance. 20 w / o PtV for main layer and primary layer respectively
u and 5 w / o PtAB were used. Nafion 112
Membrane; Pt loading; 0.35 mg / cm 2 / electrode; air /
Hydrogen, 80 ° C., 30 psig; 3 / 1.2 stoichiometric.

【図7】図7は、80℃、空気/H2、3/1.4化学
量論量、30psigで操作したPEM燃料電池におけ
る集電体密度の効果を示す。20w/oPtVu、ナフ
ィオン112膜、Pt充填量=0.3mg/cm2/電
極。
FIG. 7 shows the effect of current collector density on a PEM fuel cell operated at 80 ° C., air / H 2 , 3 / 1.4 stoichiometry, 30 psig. 20 w / o PtVu, Nafion 112 film, Pt loading = 0.3 mg / cm 2 / electrode.

【図8】図8は、80℃、空気/H2、3/1.5化学
量論量、55/30psig、20w/oPtVu、1
0mil SC、0.42g/cc、19w/oテフロ
ン、Dow膜、Pt充填量=0.45mg/cm2/電
池で操作した際のPEM燃料電池性能におけるカソード
ナフィオン含量の効果を示す。
FIG. 8: 80 ° C., air / H 2 , 3 / 1.5 stoichiometry, 55/30 psig, 20 w / o PtVu, 1
7 shows the effect of cathode Nafion content on PEM fuel cell performance when operated with 0 mil SC, 0.42 g / cc, 19 w / o Teflon, Dow membrane, Pt loading = 0.45 mg / cm 2 / cell.

【図9】図9は、10w/oのカーボン−担持Pt触媒
1グラムの容積を示す。
FIG. 9 shows the volume of 1 gram of 10 w / o carbon-supported Pt catalyst.

【図10】図10は、0.5V、80℃、空気/H2
30psig、3/1.5化学量論量、10w/oPt
/カーボン、10mil SC、0.42g/cc、2
5w/oテフロン、Dow膜、Pt充填量=0.11±
0.02mg/cm2/電極で操作した際のPEM燃料
電池性能におけるカーボンのタイプの効果を示す。
FIG. 10 shows 0.5 V, 80 ° C., air / H 2 ,
30 psig, 3 / 1.5 stoichiometry, 10 w / oPt
/ Carbon, 10 mil SC, 0.42 g / cc, 2
5w / o Teflon, Dow film, Pt loading = 0.11 ±
9 shows the effect of carbon type on PEM fuel cell performance when operated at 0.02 mg / cm 2 / electrode.

【図11】図11は、80℃、空気/H2、30psi
g、3/1.5化学量論量、10w/oPtVu、10
mil SC、0.42g/cc、25w/oテフロ
ン、Dow膜、Pt=0.23mg/cm2/電池で操
作した際のPEM電池性能におけるVulcan XC
−72R処理の効果を示す。
FIG. 11 shows 80 ° C., air / H 2 , 30 psi.
g, 3 / 1.5 stoichiometry, 10 w / o PtVu, 10
Vulcan XC in PEM battery performance when operated on mil SC, 0.42 g / cc, 25 w / o Teflon, Dow membrane, Pt = 0.23 mg / cm 2 / battery
The effect of the -72R treatment is shown.

【図12】図12は、プラチナ電気化学表面積における
カーボンタイプの効果を示す。
FIG. 12 shows the effect of carbon type on platinum electrochemical surface area.

【図13】図13は、Pt触媒を分散させるために使用
したカーボンスラリーのpHに対する0.5ボルトでの電
池電流密度のプロットを示す。実験条件は図10と同一
である。
FIG. 13 shows a plot of cell current density at 0.5 volts versus pH of the carbon slurry used to disperse the Pt catalyst. The experimental conditions are the same as in FIG.

【図14】図14は、カソードカーボン担体の平均の孔
半径に対する0.5ボルトでの電池電流密度のプロット
を示す。実験条件は図10と同一である。
FIG. 14 shows a plot of cell current density at 0.5 volts versus average pore radius of the cathode carbon support. The experimental conditions are the same as in FIG.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨーセフ・ミクハイル アメリカ合衆国ミシガン州48313,スター リング・ハイツ,ウィンザー・コート 12702 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Joseph Mikheil, Windsor Court, Stirling Heights, 48313, Michigan, USA 12702

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 集電体シート、第1の電極層、及び第2
の電極層を含む電極構造体であって、前記第1の電極層
は前記集電体シートと前記第2の電極層との間にあり;
前記第1の層はカーボン粒子の第1の群を含み、前記第
2の層はカーボン粒子の第2の群を含み;前記第1の層
は触媒を含まないか、超微粉砕触媒粒子の第1の群を含
み;前記第2の層は超微粉砕触媒粒子の第2の群を含
み;但し、第1の層の触媒粒子対カーボン粒子の重量比
は第2の層のその重量比未満である、前記電極構造体。
1. A current collector sheet, a first electrode layer, and a second electrode layer.
An electrode structure comprising: an electrode layer, wherein the first electrode layer is between the current collector sheet and the second electrode layer;
The first layer includes a first group of carbon particles and the second layer includes a second group of carbon particles; wherein the first layer does not include a catalyst or comprises a finely divided catalyst particle. The second layer comprises a second group of micronized catalyst particles; provided that the weight ratio of catalyst particles to carbon particles in the first layer is the weight ratio of the second layer to that of the second layer. Said electrode structure.
【請求項2】 それぞれのカーボン粒子の群は、カーボ
ン粒子とカーボン粒子との間及びその中の多数の孔を画
定する内部表面及び外部表面を有する複数のカーボン粒
子と、カーボン粒子の内部及び外部表面上に担持されて
いる前記超微粉砕触媒粒子とを含む、請求項1に記載の
電極構造体。
2. Each group of carbon particles includes a plurality of carbon particles having an inner surface and an outer surface defining a number of pores between and within the carbon particles, and a plurality of carbon particles inside and outside the carbon particles. The electrode structure according to claim 1, wherein the electrode structure comprises the micronized catalyst particles supported on a surface.
【請求項3】 前記第1の層は触媒を含まず、前記第2
の層はカーボン粒子とカーボン粒子との間及びその中の
多数の孔を画定する内部及び外部表面を有するカーボン
粒子の前記第2の群、カーボン粒子の内部及び外部表面
に担持された超微粉砕触媒粒子の第2の群、並びにカー
ボン粒子及び触媒粒子と混じり合っているプロトン導電
性材料を含む、請求項1に記載の電極構造体。
3. The method according to claim 2, wherein the first layer does not include a catalyst, and the second layer does not include a catalyst.
The second group of carbon particles having internal and external surfaces defining a plurality of pores between and within the carbon particles, the micronization carried on the internal and external surfaces of the carbon particles. The electrode structure according to claim 1, comprising a second group of catalyst particles, and a proton conductive material intermingled with the carbon particles and the catalyst particles.
【請求項4】 カーボン粒子の前記第1の群が1立方セ
ンチメートル当たり0.1グラム以下の密度を特徴とす
る、請求項1に記載の電極構造体。
4. The electrode structure according to claim 1, wherein said first group of carbon particles has a density of less than or equal to 0.1 grams per cubic centimeter.
【請求項5】 カーボン粒子の前記第2の群が約6〜約
9の範囲のpHを特徴とする、請求項1に記載の電極構造
体。
5. The electrode structure according to claim 1, wherein said second group of carbon particles is characterized by a pH in the range of about 6 to about 9.
【請求項6】 それぞれのカーボン粒子の群が約6〜約
9の範囲のpHを特徴とする、請求項1に記載の電極構造
体。
6. The electrode structure according to claim 1, wherein each group of carbon particles is characterized by a pH in the range of about 6 to about 9.
【請求項7】 カーボン粒子の前記第2の群が5ナノメ
ートルを超える平均孔半径を特徴とする、請求項1に記
載の電極構造体。
7. The electrode structure according to claim 1, wherein said second group of carbon particles is characterized by an average pore radius of more than 5 nanometers.
【請求項8】 前記層のそれぞれがカーボン粒子及び触
媒粒子と混じり合ったプロトン導電性材料をさらに含
む、請求項1に記載の電極構造体。
8. The electrode structure according to claim 1, wherein each of said layers further comprises a proton conductive material mixed with carbon particles and catalyst particles.
【請求項9】 前記第2の層の触媒粒子充填量が電極表
面積1cm2当たり約0.30mg未満であり、第1の
層の触媒充填量が第2の層の充填量未満である、請求項
1に記載の電極構造体。
9. The catalyst loading of the second layer is less than about 0.30 mg / cm 2 of electrode surface area, and the catalyst loading of the first layer is less than the loading of the second layer. Item 2. The electrode structure according to Item 1.
【請求項10】 前記第2の層は約20:80の重量比
で前記触媒粒子と前記カーボン粒子を含み;前記プロト
ン導電性材料は前記第2の層の30〜35重量パーセン
トを構成し、前記触媒及びカーボン粒子が残余を構成す
る、請求項1に記載の電極構造体。
10. The second layer comprises the catalyst particles and the carbon particles in a weight ratio of about 20:80; the proton conductive material comprises 30-35 weight percent of the second layer; The electrode structure according to claim 1, wherein the catalyst and the carbon particles constitute a residue.
【請求項11】 前記集電体がテフロン(登録商標)を
含浸したカーボンシートを含み、カーボンシートとテフ
ロンを合わせた100重量部をベースとして約5部以下
をテフロンが構成する、請求項1に記載の電極構造体。
11. The method according to claim 1, wherein the current collector includes a carbon sheet impregnated with Teflon (registered trademark), and Teflon constitutes about 5 parts or less based on 100 parts by weight of the carbon sheet and Teflon. The electrode structure as described in the above.
【請求項12】 含浸前に、前記カーボンシートが8〜
12milの厚さ及び約0.3〜約0.35g/ccの
密度を有する、請求項11に記載の電極構造体。
12. The carbon sheet before impregnation,
The electrode structure of claim 11, wherein the electrode structure has a thickness of 12 mils and a density of about 0.3 to about 0.35 g / cc.
【請求項13】 前記カーボン粒子の第1の群と第2の
群とが同一のタイプである、請求項1に記載の電極構造
体。
13. The electrode structure according to claim 1, wherein the first group and the second group of the carbon particles are of the same type.
【請求項14】 カーボン粒子の第1の群と第2の群が
pH、孔径、粒径及びBET表面積のひとつ以上により識
別することができる、請求項1に記載の電極構造体。
14. The first group and the second group of carbon particles,
The electrode structure according to claim 1, wherein the electrode structure can be identified by one or more of pH, pore size, particle size, and BET surface area.
【請求項15】 集電体シート、第1の電極層、及び第
2の電極層を含む電極構造体であって、前記第1の電極
層は前記集電体シートと前記第2の電極層との間にあ
り、前記第1の層及び前記第2の層はそれぞれ触媒含有
カーボン粒子の第1の群と第2の群を含み、前記触媒含
有カーボン粒子は超微粉砕触媒粒子を担持しており、但
し、前記第1の層の触媒粒子対カーボン粒子の重量比は
第2の層の重量比未満である、前記電極構造体。
15. An electrode structure including a current collector sheet, a first electrode layer, and a second electrode layer, wherein the first electrode layer includes the current collector sheet and the second electrode layer. And the first layer and the second layer include a first group and a second group, respectively, of catalyst-containing carbon particles, wherein the catalyst-containing carbon particles carry micronized catalyst particles. Wherein the weight ratio of catalyst particles to carbon particles in the first layer is less than the weight ratio of the second layer.
【請求項16】 (a)集電体シートを提供し; (b)プロトン導電性材料、カーボン粒子の第1の群、
及び場合により触媒粒子を含む第1の層を前記シート上
に形成し;及び (c)プロトン導電性材料、カーボン粒子の第2の群、
及び触媒粒子を含む第2の層を前記第1の層の上に形成
し、前記第2の層のカーボン粒子に対する触媒粒子の重
量は第1の層の重量よりも多い、 各段階を含む電極構造体の製造法。
16. A (a) providing a current collector sheet; (b) a proton conductive material, a first group of carbon particles;
And optionally forming a first layer comprising catalyst particles on the sheet; and (c) a proton conductive material, a second group of carbon particles;
And a second layer including catalyst particles is formed on the first layer, wherein the weight of the catalyst particles with respect to the carbon particles of the second layer is greater than the weight of the first layer. The method of manufacturing the structure.
【請求項17】 プロトン導電性材料、カーボン粒子の
第1の群、及びカーボン粒子の上及びその中に担持され
た超微粉砕触媒粒子の第1の群の第1の混合物を形成
し;次いで、集電体の表面に前記第1の混合物を適用
し、前記混合物から第1のフィルムを形成することによ
り段階(b)を実施する、請求項16に記載の方法。
17. forming a first mixture of a proton conductive material, a first group of carbon particles, and a first group of micronized catalyst particles supported on and within the carbon particles; 17. The method of claim 16, wherein step (b) is performed by applying the first mixture to a surface of a current collector and forming a first film from the mixture.
【請求項18】 プロトン導電性材料及びカーボン粒子
の第1の群の第1の混合物を形成し;次いで集電体の表
面に第1の混合物を適用し、前記混合物から第1のフィ
ルムを形成することにより段階(b)を実施する、請求
項16に記載の方法。
18. A method for forming a first mixture of a first group of a proton conductive material and carbon particles; and then applying the first mixture to a surface of a current collector to form a first film from the mixture. 17. The method of claim 16, wherein step (b) is performed by performing.
【請求項19】 前記カーボン粒子の第1の群が1立方
センチメートル当たり0.1グラム以下の密度を特徴と
する、請求項16に記載の電極構造体。
19. The electrode structure according to claim 16, wherein the first group of carbon particles has a density of less than or equal to 0.1 grams per cubic centimeter.
【請求項20】 プロトン導電性材料、カーボン粒子の
第2の群、及びカーボン粒子上及びその中に担持された
超微粉砕触媒粒子の第2の群の第2の混合物を形成し、
次いで前記第1の層の上に第2の混合物を適用すること
により段階(c)を実施する、請求項16に記載の方
法。
20. forming a second mixture of a proton conductive material, a second group of carbon particles, and a second group of micronized catalyst particles supported on and within the carbon particles;
17. The method of claim 16, wherein step (c) is then performed by applying a second mixture over the first layer.
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